CN114464835A - 一种水滴状双极板及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水滴状双极板及其用途，所述水滴状双极板包括基板，所述基板内设置有空腔结构，所述空腔结构的两端分别为流场入口区和流场出口区，所述流场区表面设置有若干排水滴状肋组，每排所述水滴状肋组均包括若干个水滴状肋结构，且相邻所述水滴状肋组中的水滴状肋结构交错排列。在本发明中，提供的水滴状双极板的流场入口区部分平行流道递减分布，保证气体从入口进入时气体能尽可能均匀的进入流场中；水滴状结构能够减小流体的流动阻力有利于气体分布均匀性；水滴状肋结构沿气体流动方向相互交错分布可以增加气体的扰流，保证温度分布的均匀性，从而提高燃料电池的整体输出性能和安全性能，保证燃料电池长期稳定的高效运行。

Description

一种水滴状双极板及其用途

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种水滴状双极板及其用途。

背景技术

随着化石能源的短缺以及对环境的污染日益加剧，世界各国政府和企业对新能源的开发迫在眉睫。质子交换膜燃料电池是一种无污染且高效的绿色发电装置，产物只有电能、热能以及水。质子交换膜燃料电池结构主要包括双极板、气体扩散层、催化层和质子交换膜等。它将储存于燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能，不受卡诺循环的限制，发电效率可达到60％左右，其在移动电源、电动汽车、航空以及军事领域具有广阔的应用前景。

双极板又称为流场板，是燃料电池的重要组成部件之一，主要的功能包括均匀分配反应气体、实现热量传导以及电子的传递。流场加工于双极板上，流场结构决定反应气体和生成物水的流动状态。优异的流场结构使得反应气体能够更多更均匀的参与反应，同时也能将反应生成的水及时排出，避免出现电极的“水淹现象”和膜局部出现溶胀现象。

CN113140746A公开了一种梭子鱼仿生燃料电池双极板，针对于反应气体在燃料电池双极板内部流场均匀分布问题，设计出若干交错排列的梭子鱼形状双极板，利用梭子鱼流线型有效减小流体的流动阻力。但是，该发明缺点在于，首先，其气体进口在双极板侧面，一般石墨双极板的进气口设计在双极板的上下端部，反应气流入方向与流场内流动方向一致；其次梭子鱼的形状并非空气阻力最小的形状，所以实际运用中，其对流体的流动阻力减小的效果并不是很理想。

CN112271307A公开了一种鱼鳞仿生燃料电池双极板及燃料电池，利用鱼鳞网状分布达到气流尽可能最大的扰动，进而使得反应气进行更好得分布，也便于带走生成水。但是，该发明的缺点在于，首先流场内部的菱形结构并非空气阻力最小的形状，菱形的棱角更容易阻碍气体流动且容易使得生成水积累；其次大小不一的菱形结构分布排列容易使得反应气扰动过于剧烈，影响电池的性能，同时剧烈扰动容易使得反应气带走更多的水分，造成质子交换膜不够湿润。

CN111933976A公开了一种燃料电池双极板，该燃料电池双极板包括贴合连接的阴极板和阳极板，所述阳极板的一端设置有台阶凹槽，所述台阶凹槽内设置有与所述台阶凹槽相适配的导电端子；所述台阶凹槽包括一体设置的宽径端和窄径端，所述宽径端设置于所述窄径端的内侧；所述导电端子包括一体设置的头端、中间段以及尾端，所述中间段设置于所述头端和所述尾端之间，所述头端设置于所述宽径端内，所述中间段穿过所述窄径端外露于所述阳极板的一端外；所述尾端的几何中心处设置有与巡检信息线连接的开孔。该发明将导电端子固定在阳极板的台阶凹槽内，可避免导电端子脱落或因工况条件震动而产生接触不良的情形，可以很好的用于实时监测燃料电池的运行情况，但是也无法很好的解决“水淹现象”。

目前双极板流场常用的结构主要有蛇形流场、平行流场、交指流场和点状流场等。蛇形流场进出口压降大，流速快，即便发生堵塞也能将反应气体和水及时排出，但是蛇形流道转弯太多，流道太长，使得气体在流动方向上浓度梯度较大，容易使得气体分布不均而导致电流分布不均。平行流场加工简单且较为普遍，反应气在流道内流动时压力损失小，可通过改变沟脊宽度比来改变沟槽内反应气的线速度，但容易引起流场内流体分布不均问题，严重时会导致反应气和水在某个通道内无法排出情况。交指流场特点是一端封闭，流道不连续，流道内部气压较大，流体被强制流过扩散层，产生的水容易流出，但是其压降非常大，容易破坏流道结构，同时带走过多的水会导致膜电极干燥，降低反应效率。点状流场内部易造成涡流和电极水淹现象，反应气无法均匀分布，电池性能下降。因此，亟需设计研发一种燃料电池的双极板克服现有技术的缺点，以满足实际生产生活的需求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种水滴状双极板及其用途，在本发明中，提供了一种水滴状仿生燃料电池双极板，其流场入口区部分平行流道递减分布，保证气体从入口进入时气体能尽可能均匀的进入流场中；水滴状结构能够减小流体的流动阻力，便于气体的充分流动和扩散，有利于气体分布均匀性；水滴状肋结构沿气体流动方向相互交错分布可以增加气体的扰流，增强流场的传热传质，保证温度分布的均匀性，有利于水的顺利排出，从而提高燃料电池的整体输出性能和安全性能，保证燃料电池长期稳定的高效运行。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种水滴状双极板，所述水滴状双极板包括基板，所述基板内设置有空腔结构，所述空腔结构为流场区，所述空腔结构的两端分别为流场入口区和流场出口区，所述流场区表面设置有若干排水滴状肋组，每排所述水滴状肋组平行于所述流场区中流体的流动方向，每排所述水滴状肋组均包括若干个水滴状肋结构，每个所述水滴状肋结构的形状、大小和朝向均相同，且相邻所述水滴状肋组中的水滴状肋结构交错排列。

在本发明中，提供了一种水滴状仿生燃料电池双极板，其流场入口区部分平行流道递减分布，保证气体从入口进入时气体能尽可能均匀的进入流场中；水滴状结构能够减小流体的流动阻力，便于气体的充分流动和扩散，有利于气体分布均匀性；水滴状肋结构沿气体流动方向相互交错分布可以增加气体的扰流，增强流场的传热传质，保证温度分布的均匀性，有利于水的顺利排出，从而提高燃料电池的整体输出性能和安全性能，保证燃料电池长期稳定的高效运行，从而解决了燃料电池的输出性能低，流体的流动阻力大，气体在流动过程中的紊乱程度大，气体分布不均匀等问题。

需要说明的是，本发明中提到的“若干”只是作为数量的限定，具体各个结构的数量根据实际双极板的需求量而设置，所以在本发明中并没有做特殊限定。

需要说明的是，本发明中的双极板流场区域选择水滴状结构，是因为其是自然界中空气阻力最小的形状之一，本发明采用水滴状肋结构能够有效地减小反应气在流场内流动时产生的阻力，增加反应气流动速度，使得反应气更加均匀快速得分布于流场内部。

作为本发明一种优选的技术方案，所述水滴状肋结构为水滴状，且所述水滴状肋结构和基板的接触面呈水滴状。

需要说明的是，本发明中水滴状肋结构交错的分布能够增强反应气扰动情况，便于反应气及时将生成水带出流场；水滴状肋结构表面圆滑，不宜生成水在其附近积累，有效防止水淹现象的发生。

优选地，所述水滴状肋结构仿生自然界中水滴的形状。

优选地，所述水滴状肋结构的两端连线平行于所述流场区中流体的流动方向。

优选地，所述水滴状肋结构的水滴面采用两个对称设置的弧线拼接形成。

优选地，所述水滴状肋结构为空心结构或实心结构。

作为本发明一种优选的技术方案，所述水滴状肋结构的长轴为5～10mm，例如可以是5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

短轴为2～5mm，例如可以是2mm、3mm、4mm、5mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述水滴状肋结构的厚度为0.1～3mm，例如可以是0.1mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本发明一种优选的技术方案，每排所述水滴状肋组之间的距离为4～6mm，例如可以是4mm、4.2mm、4.4mm、4.6mm、4.8mm、5mm、5.2mm、5.4mm、5.6mm、5.8mm、6mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

每排所述水滴状肋组中的水滴状肋结构之间的距离为2～5mm，例如可以是2mm、3mm、4mm、5mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本发明一种优选的技术方案，所述流场入口区设置有若干入口肋板，所述入口肋板包括依次固定连接的水平段Ⅰ、圆弧段Ⅰ、竖直段Ⅰ、圆弧段Ⅱ和水平段Ⅱ，且若干所述入口肋板的水平段Ⅰ的长度由上至下依次增加。

所述流场出口区设置有若干出口肋板，所述出口肋板包括依次固定连接的水平段Ⅲ、圆弧段Ⅲ、竖直段Ⅱ、圆弧段Ⅳ和水平段Ⅳ，且若干所述出口肋板的水平段Ⅲ的长度由上至下依次减小。

每个所述水平段Ⅰ和所述水平段Ⅲ相对设置。

作为本发明一种优选的技术方案，若干所述入口肋板的一端对齐形成直线一，若干所述出口肋板的一端对齐形成直线二，且所述直线一平行于所述直线二。

需要说明的是，本发明中入口肋板平行结构设计能够有效将反应气均匀分布于整个流场内部；出口肋板平行结构设计能够有效将未发生反应的气体和生成水汇集于流场出口进而排除。

每列所述水滴状肋组沿直线一的长度方向倾斜排列，且设置于直线一和直线二之间。

作为本发明一种优选的技术方案，相邻两个所述入口肋板的水平段Ⅱ之间的空隙对应设置所述水滴状肋组，且相邻两个所述出口肋板的水平段Ⅳ之间的空隙对应设置所述水滴状肋组。

作为本发明一种优选的技术方案，所述圆弧段Ⅰ、圆弧段Ⅱ、圆弧段Ⅲ和圆弧段Ⅳ的所在圆半径均为1～2mm，例如可以是1mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm、2mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本发明一种优选的技术方案，所述入口肋板和所述出口肋板在垂直于所述基板方向的厚度为0.1～3mm，例如可以是0.1mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

相邻两个所述入口肋板的水平段Ⅰ和相邻两个所述出口肋板的水平段Ⅲ之间的距离均为0.5～5mm，例如可以是0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

所述入口肋板和所述出口肋板的宽度均为0.1～3mm，例如可以是0.1mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

第二方面，本发明提供了一种第一方面所述的水滴状双极板的用途，所述水滴状双极板用于燃料电池领域。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

在本发明中，本发明提供了一种水滴状仿生燃料电池双极板，通过设置具有水滴状肋结构，利用自然界水滴的流线结构减小反应气与生成水在极板内部的流动阻力，使得反应气体与生成水更容易在极板内部进行流动和扩散，有利于反应气的均匀分布。同时水滴状肋结构的沿气体流动方向相互交错分布能够增加气体的扰动程度，使得反应气更加充分且均匀的通过扩散层到达膜电极。由于水滴状肋结构整体圆润，可避免生成水的积累，加之反应气充分扩散和扰动，能够有效带走多余的水，防止极板内部发生水淹现象和膜局部的溶胀现象。水滴状仿生燃料电池双极板的流场压降比蛇形流场更低，而流道长度比平行流场更长，使得反应气在流场内的反应时间变长，有效提高了电池的输出性能。开设的流场入口和流场出口肋板的结构设计使得反应气能够均匀进入流场以及生成水及时的排除流场。

附图说明

图1为本发明一个具体实施方式提供的水滴状双极板的结构示意图；

图2为本发明一个具体实施方式提供的水滴状双极板的水滴状肋结构的结构示意图；

图3为本发明一个具体实施方式提供的水滴状双极板的入口肋板的结构示意图；

图4为本发明一个具体实施方式提供的水滴状双极板的出口肋板的结构示意图；

其中，1-流场区；2-流场入口区；3-流场出口区；4-水滴状肋结构；5-入口肋板；6-出口肋板；51-水平段Ⅰ；52-圆弧段Ⅰ；53-竖直段Ⅰ；54-圆弧段Ⅱ；55-水平段Ⅱ；61-水平段Ⅲ；62-圆弧段Ⅲ；63-竖直段Ⅱ；64-圆弧段Ⅳ；65-水平段Ⅳ。

具体实施方式

需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本领域技术人员理应了解的是，本发明中必然包括用于实现工艺完整的必要管线、常规阀门和通用泵设备，但以上内容不属于本发明的主要发明点，本领域技术人员可以基于工艺流程和设备结构选型可以自行增设布局，本发明对此不做特殊要求和具体限定。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

在一个具体实施方式中，本发明提供了一种水滴状双极板，如图1至图4所示，所述水滴状双极板包括基板，基板内设置有空腔结构，空腔结构为流场区1，空腔结构的两端分别为流场入口区2和流场出口区3，流场区1表面设置有若干排水滴状肋组，每排排水滴状肋组平行于流场区1中流体的流动方向，每排水滴状肋组均包括若干个水滴状肋结构4，每个水滴状肋结构4的形状、大小和朝向均相同，且相邻水滴状肋组中的水滴状肋结构4交错排列。

在本发明中，提供了一种水滴状仿生燃料电池双极板，其流场入口区2部分平行流道递减分布，保证气体从入口进入时气体能尽可能均匀的进入流场中；水滴状结构能够减小流体的流动阻力，便于气体的充分流动和扩散，有利于气体分布均匀性；水滴状肋结构4沿气体流动方向相互交错分布可以增加气体的扰流，增强流场的传热传质，保证温度分布的均匀性，有利于水的顺利排出，从而提高燃料电池的整体输出性能和安全性能，保证燃料电池长期稳定的高效运行，从而解决了燃料电池的输出性能低，流体的流动阻力大，气体在流动过程中的紊乱程度大，气体分布不均匀等问题。

水滴状肋结构4为水滴状，且水滴状肋结构4和基板的接触面呈水滴状，水滴状肋结构4仿生自然界中水滴的形状，进一步地，水滴状肋结构4的两端连线平行于流场区1中流体的流动方向，进一步地，水滴状肋结构4的水滴面采用两个对称设置的弧线拼接形成，且水滴状肋结构4为空心结构或实心结构。

水滴状肋结构4的长轴h为5～10mm，短轴w为2～5mm，进一步地，水滴状肋结构4的厚度为0.1～3mm，水滴状肋组中的相邻两个水滴状肋结构4的同侧尖端之间的竖直距离L1为10mm，每排水滴状肋组中的水滴状肋结构4之间的距离L2为2～5mm。

流场入口区2设置有若干入口肋板5，入口肋板5包括依次固定连接的水平段Ⅰ51、圆弧段Ⅰ52、竖直段Ⅰ53、圆弧段Ⅱ54和水平段Ⅱ55，且若干入口肋板5的水平段Ⅰ51的长度由上至下依次增加，流场出口区3设置有若干出口肋板6，出口肋板6包括依次固定连接的水平段Ⅲ61、圆弧段Ⅲ62、竖直段Ⅱ63、圆弧段Ⅳ64和水平段Ⅳ65，且若干出口肋板6的水平段Ⅲ61的长度由上至下依次减小，每个水平段Ⅰ51和水平段Ⅲ61相对设置。

更进一步地，水平段Ⅰ51远离流场入口区2的一端通过圆弧段Ⅰ52过渡后与竖直段Ⅰ53的顶端固定连接，竖直段Ⅰ53的末端通过圆弧段Ⅱ54过渡后与水平段Ⅱ55的左端固定连接，多个入口肋板5的水平段Ⅰ51由上至下依次变长；水平段Ⅲ61远离流场出口区3的一端通过圆弧段Ⅲ62过渡后与竖直段Ⅱ63的顶端固定连接，竖直段Ⅱ63的末端通过圆弧段Ⅳ64过渡后与水平段Ⅳ65的右端固定连接，多个出口肋板6的水平段Ⅲ61由上至下依次变短。

若干入口肋板5的一端对齐形成直线一，若干出口肋板6的一端对齐形成直线二，且直线一平行于直线二，每列所述水滴状肋组沿直线一的长度方向倾斜排列，且设置于直线一和直线二之间，相邻两个入口肋板5的水平段Ⅱ55之间的空隙对应设置水滴状肋组，且相邻两个出口肋板6的水平段Ⅳ65之间的空隙对应设置水滴状肋组。

圆弧段Ⅰ52、圆弧段Ⅱ54、圆弧段Ⅲ62和圆弧段Ⅳ64的所在圆半径均为1～2mm，入口肋板5和出口肋板6在垂直于基板方向的厚度为0.1～3mm，相邻两个入口肋板5的水平段Ⅰ51和相邻两个出口肋板6的水平段Ⅲ61之间的距离均为0.5～5mm，入口肋板5和出口肋板6的宽度均为0.1～3mm。

本发明中将流场结构设计与仿生学相结合，利用水滴风阻小的特点，设计了水滴状肋结构4，能够有效减小反应气的流动阻力，降低了反应气体流动过程中的压力降。水滴状肋结构4的交替分布能够将反应气不断分流，使得反应气在流动过程中改变了流动方向，增强了扰动程度，便于其在流道内分布更加均匀，从而提高了反应气的利用率。同时，水滴状肋结构4不易积存生成水，扰动的反应气能够及时将生成水排出，避免造成水淹现象，保证了电池长期持续的高效运行。

申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种水滴状双极板，其特征在于，所述水滴状双极板包括基板，所述基板内设置有空腔结构，所述空腔结构为流场区，所述空腔结构的两端分别为流场入口区和流场出口区，所述流场区表面设置有若干排水滴状肋组，每排所述水滴状肋组平行于所述流场区中流体的流动方向；

每排所述水滴状肋组均包括若干个水滴状肋结构，每个所述水滴状肋结构的形状、大小和朝向均相同，且相邻所述水滴状肋组中的水滴状肋结构交错排列。

2.根据权利要求1所述的水滴状双极板，其特征在于，所述水滴状肋结构为水滴状，且所述水滴状肋结构和基板的接触面呈水滴状；

优选地，所述水滴状肋结构仿生自然界中水滴的形状；

优选地，所述水滴状肋结构的两端连线平行于所述流场区中流体的流动方向；

优选地，所述水滴状肋结构的水滴面采用两个对称设置的弧线拼接形成；

优选地，所述水滴状肋结构为空心结构或实心结构。

3.根据权利要求1或2所述的水滴状双极板，其特征在于，所述水滴状肋结构的长轴为5～10mm，短轴为2～5mm；

优选地，所述水滴状肋结构的厚度为0.1～3mm。

4.根据权利要求1-3任一项所述的水滴状双极板，其特征在于，每排所述水滴状肋组之间的距离为4～6mm，每排所述水滴状肋组中的水滴状肋结构之间的距离为2～5mm。

5.根据权利要求1-4任一项所述的水滴状双极板，其特征在于，所述流场入口区设置有若干入口肋板，所述入口肋板包括依次固定连接的水平段Ⅰ、圆弧段Ⅰ、竖直段Ⅰ、圆弧段Ⅱ和水平段Ⅱ，且若干所述入口肋板的水平段Ⅰ的长度由上至下依次增加；

所述流场出口区设置有若干出口肋板，所述出口肋板包括依次固定连接的水平段Ⅲ、圆弧段Ⅲ、竖直段Ⅱ、圆弧段Ⅳ和水平段Ⅳ，且若干所述出口肋板的水平段Ⅲ的长度由上至下依次减小；

每个所述水平段Ⅰ和所述水平段Ⅲ相对设置。

6.根据权利要求5所述的水滴状双极板，其特征在于，若干所述入口肋板的一端对齐形成直线一，若干所述出口肋板的一端对齐形成直线二，且所述直线一平行于所述直线二；

每列所述水滴状肋组沿直线一的长度方向倾斜排列，且设置于直线一和直线二之间。

7.根据权利要求5所述的水滴状双极板，其特征在于，相邻两个所述入口肋板的水平段Ⅱ之间的空隙对应设置所述水滴状肋组，且相邻两个所述出口肋板的水平段Ⅳ之间的空隙对应设置所述水滴状肋组。

8.根据权利要求5所述的水滴状双极板，其特征在于，所述圆弧段Ⅰ、圆弧段Ⅱ、圆弧段Ⅲ和圆弧段Ⅳ的所在圆半径均为1～2mm。

9.根据权利要求5所述的水滴状双极板，其特征在于，所述入口肋板和所述出口肋板在垂直于所述基板方向的厚度为0.1～3mm；

相邻两个所述入口肋板的水平段Ⅰ和相邻两个所述出口肋板的水平段Ⅲ之间的距离均为0.5～5mm；

所述入口肋板和所述出口肋板的宽度均为0.1～3mm。

10.一种根据权利要求1-9任一项所述的水滴状双极板的用途，其特征在于，所述水滴状双极板用于燃料电池领域。

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